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各位小朋友們(men) 、同學們(men) ！大家好！我是北京市少先隊校外輔導員李永樂(le) 老師，來自於(yu) 中國人民大學附屬中學。

最近，許多小朋友都做了很多次核酸檢測。我們(men) 都知道，核酸檢測的目的是為(wei) 了篩查新冠病毒的感染者。可是你知道嗎？為(wei) 什麽(me) 一個(ge) 小小的棉簽，就能從(cong) 幾千萬(wan) 人中篩查出攜帶病毒的人呢？今天呀我就要來給大家講講核酸檢測到底是什麽(me) 原理。

一、什麽(me) 是核酸

為(wei) 了告訴大家核酸檢測的原理，我們(men) 首先得知道什麽(me) 是核酸。

大家知道：人體(ti) 是由許許多多個(ge) 細胞構成的。細胞有細胞膜，它是保護細胞的。有許許多多的細胞器，它能執行各種各樣的功能，還有一個(ge) 細胞核，裏麵有一種叫做染色體(ti) 的物質，染色體(ti) 上纏繞著一種雙螺旋的結構，叫做脫氧核糖核酸，簡稱叫做DNA。大家知道，DNA是幹什麽(me) 的嗎？

從(cong) 細胞到DNA

如果我們(men) 把DNA再放大一些，你會(hui) 發現它是由一片一片的核苷酸組成的，就好像一座城堡是由一塊一塊的磚頭拚出來的一樣。核苷酸一共有四種，分別叫做A、T、C、G。而且它們(men) 有個(ge) 規則：A一定和T對著，C一定和G對著，這叫做互補配對原則。大家一定要記住這個(ge) 原則，因為(wei) 核酸檢測就是利用了這個(ge) 原理。

DNA上的脫氧核苷酸序列

雖然生物千奇百怪，可是它們(men) 的遺傳(chuan) 信息都是由這四種核苷酸記錄的。打個(ge) 比方：7種音符可以組成無數美妙的旋律，26個(ge) 英文字母也可以組成莎士比亞(ya) 的名作。利用A、T、C、G四種核苷酸的不同排列組合，就能代表生物不同的遺傳(chuan) 信息。人們(men) 還給這種排列組合起了個(ge) 名字——基因。每種生物都有自己特殊的基因，通過觀察基因，我們(men) 就能知道這是哪種生物的DNA了。

除了脫氧核糖核酸DNA以外，生物體(ti) 還有一種核酸，叫做核糖核酸，簡稱RNA，它是做什麽(me) 的呢？

因為(wei) DNA在染色體(ti) 上，染色體(ti) 個(ge) 頭很大，在細胞核裏出不來，它的遺傳(chuan) 信息怎麽(me) 表達呢？細胞會(hui) 在細胞核裏以DNA為(wei) 模板，製造出單鏈的RNA，RNA也是由四種核苷酸構成的，它通過與(yu) DNA互補配對，也能攜帶遺傳(chuan) 信息。

隨後，細小的RNA會(hui) 從(cong) 細胞核的核孔中出來，找到一種細胞器——核糖體(ti) 。RNA會(hui) 告訴核糖體(ti) ，按照遺傳(chuan) 信息的命令生產(chan) 各種各樣的蛋白質，蛋白質是我們(men) 生命的重要組成部分，我身體(ti) 裏許許多多的功能都是由蛋白質完成的。

從(cong) DNA、信使RNA和蛋白質的合成

從(cong) DNA，產(chan) 生RNA，再由RNA指導核糖體(ti) 製造蛋白質，整個(ge) 過程叫做中心法則，是細胞的核心功能。我們(men) 打一個(ge) 比方吧：如果說細胞是一個(ge) 工廠，那麽(me) DNA就是廠長，他負責製定生產(chan) 計劃，但是，廠長在辦公室裏，輕易不出來，他不會(hui) 直接來到車間告訴工人生產(chan) 什麽(me) ，而是要通過車間主任轉達，車間主任就是RNA，他先在辦公室裏聽取領導的指示，然後來到生產(chan) 車間，這個(ge) 車間就是核糖體(ti) 。車間裏的工人在車間主任的指導下，生產(chan) 的產(chan) 品就是蛋白質。細胞生產(chan) 的效率非常高，現在世界上的任何一個(ge) 企業(ye) 的效率，都遠遠趕不上一個(ge) 細胞。

細胞工廠

講到這裏，大家是否明白了？核酸有兩(liang) 種：DNA和RNA，它們(men) 都能攜帶遺傳(chuan) 信息。我們(men) 人類是以DNA為(wei) 主要遺傳(chuan) 物質，RNA是作為(wei) DNA的信使。但也有些病毒，它們(men) 沒有DNA，而是直接用RNA進行遺傳(chuan) 。新冠病毒就是這樣的病毒，我們(men) 要判斷一個(ge) 人有沒有新冠病毒，就要看這個(ge) 人的細胞裏有沒有新冠病毒對應的RNA序列。

二、核酸如何複製

可是，大白在我們(men) 的嗓子或鼻子裏捅了一下，能夠拿到的細胞非常少，如果有病毒，含量也很低。而且，每天成千上萬(wan) 人進行核酸檢測，要找到那麽(me) 一兩(liang) 個(ge) 感染者，實在太難了，我們(men) 該怎麽(me) 辦呢？

大家想：大海撈針很困難，但是如果大海裏的針可以繁殖，1根變2根，2根變4根，4根變8根……我讓它繁殖40次，那麽(me) 一根針就會(hui) 變1萬(wan) 億(yi) 根針，這時再找起來，不就方便多了嗎？

所以呀，我們(men) 要進行核酸檢測，首先必須要讓病毒的核酸進行複製。你知道自然界中的核酸複製過程是怎樣的嗎？

我們(men) 的細胞每天都在分裂，細胞分裂時，DNA就隨之複製了。我們(men) 可以想象成：如果一家工廠開了分廠，那麽(me) 就必須再培養(yang) 出一個(ge) 廠長來。在這個(ge) 過程中，許多生物催化劑——酶發揮了重要的作用，它可以利用細胞中的核苷酸複製出新的DNA。你可以把酶想象成一種工具，比如螺絲(si) 釘，瓶起子，有了這些工具，核苷酸就能組成DNA，沒有這些工具，DNA就完全無法複製，就好像如果你沒有瓶起子，就怎麽(me) 也打不開一瓶飲料一樣。

DNA複製的具體(ti) 的過程是這樣的：

首先，在解旋酶的作用下，DNA的雙螺旋結構會(hui) 打開，形成兩(liang) 條單鏈。

解旋酶打開DNA雙鏈

隨後，在引物酶的作用下，細胞中的核苷酸會(hui) 按照互補配對的原則，在原來的DNA鏈上形成一小段引物。引物的作用非同小可，它可以為(wei) 後麵的DNA複製做基礎，有點類似於(yu) 合唱中起頭的同學，或者旅遊團中的導遊。如果沒有引物，DNA是沒辦法複製的。

引物形成

然後，第三種酶——DNA聚合酶出現了，在它的催化作用下，細胞中的核苷酸會(hui) 一個(ge) 一個(ge) 按照堿基互補配對原則，接在引物後方，形成兩(liang) 條新的DNA鏈。就好像小朋友們(men) ，用靈巧的雙手，按照圖紙把積木一個(ge) 個(ge) 搭好了一樣。

DNA複製

最後，還有一種叫做DNA連接酶的東(dong) 西，它會(hui) 修複新鏈上的縫隙，就好像對積木做最後的檢查。

這樣，一條新的DNA雙鏈就形成了。你看，現在一對DNA鏈變成了兩(liang) 對，實現了DNA的複製。

可是，生物界的DNA複製速度並不快。以分裂最快的細菌為(wei) 例，在環境合適的條件下，大約30分鍾分裂一次。如果用這個(ge) 速度進行複製，繁殖40次大約需要20個(ge) 小時。能不能用人工方法，對這個(ge) 過程進行加速呢？

細菌的分裂

三、聚合酶鏈式反應

在40年前，美國有一個(ge) 科學家，名字叫穆利斯，他就發明了一種方法，可以在細胞外對核酸進行複製，而且速度特別快，人們(men) 管這種方法叫做聚合酶鏈式反應，簡稱為(wei) PCR。這是一種非常重要的生物方法，如果你想嘲笑一個(ge) 生物係的學生學的不好，就可以說：他連PCR都不會(hui) 做。現在的核酸檢測就是使用了PCR的方法。

穆利斯

PCR具體(ti) 做法是：

首先把核酸樣品加熱到94~98攝氏度，持續20到30秒。在高溫下，DNA會(hui) 發生變性，雙螺旋解開，變成兩(liang) 條單鏈。你看，這個(ge) 步驟和生物細胞中的解旋酶的作用一樣。

然後，再把樣本溫度降低到50~65攝氏度，持續20到40秒，同時加入特定的引物。大家還記得引物的作用嗎？引物是一小段核苷酸序列，它會(hui) 按照互補配對原則，黏附在原來的DNA的特定片段上，給後續的DNA的複製起頭。

第三步，把樣本溫度再提高到75到80攝氏度，同時加入足夠的核苷酸和DNA聚合酶，這些核苷酸就好像積木一樣，按照堿基互補配對原則，黏附在原來的DNA上引物的後方，形成新的DNA鏈條。

最後，再重複這三個(ge) 步驟。

簡單來說，PCR的方法就是利用溫度控製，人為(wei) 的讓核酸進行複製。因為(wei) 一個(ge) 周期的時間很短，所以複製的速度很快。打個(ge) 比方吧：通常的雞每天下一個(ge) 蛋，我們(men) 想提高下蛋的速度，怎麽(me) 辦呢？我們(men) 可以調整燈光，讓雞棚裏6小時有燈，6個(ge) 小時沒有燈，雞就會(hui) 以為(wei) 1天是12小時，它就會(hui) 12小時下一個(ge) 蛋了。

同樣，經過一個(ge) 循環，我們(men) 就能對DNA進行一次複製，時間隻需要大約4分鍾。如果我們(men) 反複進行這個(ge) 循環，DNA就能一次次被複製。複製40次，時間也隻需要2個(ge) 多小時，卻能把DNA複製一萬(wan) 億(yi) 倍。

在發明PCR的過程中，有一個(ge) 難題，那就是第三步中的聚合酶要耐高溫才行，而生物界大部分的酶都承受不了這麽(me) 高的溫度，這可怎麽(me) 辦？幸好，有一名中國台灣的女科學家錢嘉韻。她發現：美國黃石公園裏有很多的溫泉，這些溫泉中有一些嗜熱菌，可以在高溫下生活。她通過對這些細菌的研究，發現了能夠耐高溫的DNA聚合酶，解決(jue) 了PCR最大的難題。

錢嘉韻

四、核酸檢測的步驟

了解了什麽(me) 是核酸、生物中的DNA複製和人工的PCR方法之後，我們(men) 就可以解釋新冠病毒的核酸檢測到底是什麽(me) 原理了。

冠狀病毒有一個(ge) 蛋白質外殼，上麵長滿了刺突——這是病毒侵入我們(men) 人體(ti) 細胞的鑰匙。在外殼內(nei) 部，藏著病毒的的遺傳(chuan) 物質——核糖核酸，也就剛才所說的RNA。我們(men) 就是要檢查樣本中有沒有新冠病毒的RNA序列。

新冠病毒模型

樣本送到實驗室後，工作人員會(hui) 首先用一些化學藥劑把病毒的蛋白質外殼溶解掉，讓內(nei) 部的RNA釋放出來，這個(ge) 過程叫做裂解。之後，還要加入藥品進行洗滌，再把樣品放在離心機裏旋轉，讓核酸和其他雜質分開，經過幾個(ge) 步驟後，我們(men) 就能獲得比較純淨的RNA了。

裂解、洗滌和離心

但是，RNA不穩定，容易斷掉，不能直接進行PCR擴增。所以，我們(men) 要首先以RNA模板，複製出跟病毒RNA對應的DNA來，這個(ge) 過程叫做逆轉錄，然後再對這段代表病毒的DNA進行PCR擴增。

從(cong) RNA製造互補DNA

科研人員已經知道了病毒的RNA序列，於(yu) 是就能製作出針對病毒核酸的引物，大家還記得引物嗎？它能附著在DNA上，給DNA的複製起頭。因為(wei) 這種引物是針對病毒核酸的，它的序列隻能和病毒核酸互補配對，所以也隻能附著在病毒核酸上，而對其他DNA視而不見。在進行擴增時，也隻有這一種病毒的核酸會(hui) 被複製。

說起來，在這方麵，我國也對世界做出了貢獻。在2020年1月份，新冠病毒剛剛開始流行，中國疾病預防控製中心CDC就發布了新冠病毒的RNA測序結果，並且推薦了可以製作引物的序列，向全世界公布。

隨後，就是PCR擴增的過程了。現在的PCR機器都是全自動的，隻要把樣本和引物、聚合酶、核苷酸統統放進去，按下電鈕，機器就會(hui) 自動升溫降溫循環，而且一台機器同時可以檢測96管樣本，如果一管樣本裏混合了10個(ge) 人的核酸，一次就能檢查960個(ge) 人了。如果一次檢測4小時，一台機器一天就能檢測5760人。現在你知道，為(wei) 什麽(me) 一天幾千萬(wan) 人的核酸檢測是怎麽(me) 做的了吧？

PCR機器

大家想：如果樣本中壓根沒有病毒核酸，那無論複製多少次，都不會(hui) 有什麽(me) 效果；但是如果樣本中有病毒核酸，經過幾次複製後，病毒核酸就會(hui) 越來越多。而且，這種區別是可以實時觀察的，這是因為(wei) 我們(men) 還在樣本中加入了一種熒光探針——一小段核苷酸序列，連接兩(liang) 個(ge) 基團。

熒光探針不能發光

這種熒光探針能夠附著在病毒核酸上，而且它的兩(liang) 端分別連著一個(ge) 熒光基團和一個(ge) 淬滅基團。平時，用紫外線照射探針，探針的熒光基團不能發光，因為(wei) 淬滅基團會(hui) 剝奪熒光基團的能量。可是，如果把探針拆散，熒光基團和淬滅基團分開，在紫外線照射下，熒光基團就能發光了。就好像你把錢送到驗鈔機的紫外燈下，你會(hui) 發現錢上的防偽(wei) 標記會(hui) 發光一樣。

淬滅基團和熒光基團分開，紫外線照射下熒光基團發光

在PCR擴增的過程中，熒光探針首先附著在病毒核酸上，病毒核酸複製時，發現了這個(ge) 探針擋路，就會(hui) 毫不客氣的把它清除。這時，熒光基團和淬滅基團就分開了，我們(men) 就能發現熒光。

探針發光原理

在PCR的過程中，我們(men) 不停的用紫外線照射樣本，如果探我們(men) 逐漸看到樣本發出的熒光了，就說明病毒核酸越來越多了，這就叫實時定量熒光PCR法。

實時定量熒光PCR

人們(men) 將最初樣本發出的熒光值的10倍定為(wei) 閾值，當熒光強度超過閾值時，PCR循環的次數就叫做Ct值。顯然，Ct值越小，就說明初始樣本的病毒濃度很高，是病毒感染者；而如果Ct值很大，就說明樣本中沒有病毒，或者樣本中病毒含量非常低。我國把Ct值低於(yu) 37的定為(wei) 陽性，把Ct值大於(yu) 40定為(wei) 陰性，37~40之間稱為(wei) 疑似。

同學們(men) ，這節課講完了，我們(men) 學習(xi) 到了什麽(me) ？不如來做個(ge) 總結吧！

首先我們(men) 學習(xi) 了什麽(me) 是核酸：核酸是生物遺傳(chuan) 物質，它分為(wei) 兩(liang) 種：DNA和RNA，我們(men) 人類是依靠DNA進行遺傳(chuan) 的，而新冠病毒的遺傳(chuan) 物質是RNA，核酸檢測就是要檢測樣本中有沒有病毒的RNA。

然後，我們(men) 學習(xi) 了DNA的複製過程。DNA雙螺旋結構打開，按照堿基互補配對原則，形成新的DNA鏈條，一對DNA就變成了兩(liang) 對。

再然後，我們(men) 學習(xi) 了用人工方法進行DNA複製，這就是PCR方法。它的效率非常高，幾分鍾就能複製一次。我們(men) 還知道，PCR中耐高溫的酶是中國台灣的科學家找到的。

最後，我們(men) 學習(xi) 了整個(ge) 核酸檢測的流程，首先要對核酸進行提純，然後把RNA核酸變成DNA核酸，再對DNA核酸進行擴增，最後用紫外線燈照射，觀察熒光，從(cong) 而確定病毒含量。

小朋友們(men) ，現在你知道核酸檢測的原理了吧！其實，這種方法不光能用來檢測新冠病毒，它對於(yu) 整個(ge) 生物技術和醫療領域的意義(yi) 非常重大。比如我們(men) 經常在影視劇裏看到警察在犯罪現場提取了凶手一點點的DNA，就能鎖定凶手，就是利用了這種技術。

還有，以前病人感染了某種病毒或者細菌生命垂危，但是卻因為(wei) 不知道是什麽(me) 細菌或者病毒，耽誤了治療。現在有了這種檢測方法，就可以取病人的樣本，對每一種懷疑的細菌或病毒的核酸序列進行測試，哪種檢測成功了，就說明感染的是哪種微生物，這種方法正在挽救越來越多的人的生命。

怎麽(me) 樣？生物學是不是很有趣？今天的少先隊課就到這裏啦！小朋友們(men) 同學們(men) ，下課！

END

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